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一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方法

xiaoxiao2020-08-01  3

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专利名称:一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方法
一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方法
技术领域
本发明涉及一种腔内倍频微片激光器的加工方法,尤其涉及一种一定工 作温度范围内具有较高消光比腔内倍频微片激光器加工方法。背景技术
在半导体泵浦倍频激光器中,微片结构的腔内倍频激光器具有高效率, 结构紧凑等优点。半导体激光二极管泵浦腔内倍频绿光输出原理示意图如图l所示包括半导体泵浦源1 (LD)、准直透镜2、聚焦透镜3、双折射型激 光晶体4及II类位相匹配倍频晶体5。 Si和S2为腔内倍频^[鼓片激光器的两个镀膜面。通常Si面镀对泵浦光增透,对基频光人co和倍频光 L2w高反的膜,S2面镀对基频光X。高反和对倍频光入^高透的膜,这样双折射型激光晶体4及 II类位相匹配倍频晶体5连同两端的膜层形成激光谐振腔,在泵浦源及光学 透镜的作用下可在该激光腔内产生倍频光,相对普通分立元件所制作的激光 器而言,因该腔内倍频激光器的最终完工尺寸可以很小,如 0.8mmx0.8mmx2.5mm, 故通常称之为腔内倍频微片激光器。在这种两片式 结构的腔内倍频微片激光器中,由于双折射型激光晶体与II类位相匹配倍频 晶体通常光轴夹角为45°,根据II类位相匹配条件Ke)+ ;U;o)"^2"e)或 入co(e)+入co(0)—人200(0),从II类位相匹配倍频晶体5中产生的倍频光为线偏光, 其光轴方向平行或垂直于倍频晶体的光轴,因此倍频光偏振方向与双折射型 激光晶体4的夹角也为45°,当反向倍频线偏光通过双折射型激光晶体4时, 分解为不同传播速度的且振动方向互相垂直的o、 e倍频光,双折射型激光晶 体4相对II类位相匹配倍频晶体5产生的反向倍频光而言,其作用相当于一 波片,使得从II类位相匹配倍频晶体5出射的反向倍频光往返两次穿过双折 射型激光晶体4后,其倍频光的偏振方向及消光比由双折射型激光晶体在该 微片激光器工作状态下的波片效应所决定。例如,普通两片式腔内倍频微片激光器由0.5mm厚的Nd:YV04和2mm厚的KTP组成,对于其中的0.5mm 厚的Nd:YV04而言,在532nm处相邻两级次半波片或全波片之间的厚度差仅 为2.2微未普通两片式腔内倍频微片激光器的加工方法中由于在双折射型激 光晶体的抛光过程中没有精确控制双折射型激光晶体的厚度,也就使得该双 折射型激光晶体的波片效应各不相同,这样不同批次制造出来的微片激光器 其输出的倍频光消光比也必然各不一样,在某一固定工作温度下微片激光器 所输出倍频光的消光比高的可达到100: 1以上,低的接近园偏光,在1: 1 附近,各不相等。随着倍频激光器的发展,人们对倍频激光器的要求越来越高,要求在特 定工作温度范围内激光输出功率高,光斑模式好,偏振方向固定,消光比较 高,如要求大于10: 1,器件微小,成本低廉,以上普通加工方法所制造出 来的微片激光器虽然成本低廉但因在双折射型激光晶体的抛光过程中没有按 一定要求去控制双折射型激光晶体在倍频光处的位相差,即双折射型激光晶 体的厚度,使得所输出的倍频光无法满足上述特定的要求。为了实现较高消光比偏振方向固定的倍频光输出,通常的办法是将图1 中腔内倍频微片激光器的前腔镜St面膜层设计成对泵浦光增透,对基频光高 反和对倍频光增透的方式,使由II类位相匹配倍频晶体产生的倍频光经过双折射型激光晶体后直接透过,不再返回到倍频晶体中,从而保证倍频光输出 具有极高的消光比。但这种方法在提高了消光比的同时,倍频光在两相反方 向却均有输出,单一方向上的出光效率降低了一半。另一种办法是在双折射型激光晶体与II类位相匹配倍频晶体之间加上对倍频光高反及对基频光高透 的膜层,阻止倍频光往返于激光晶体,从而获得具有极高消光比的偏振倍频 光输出。但这种方法因为在激光晶体与倍频晶体之间加入了高反膜层,增大 了腔内损耗,降低效率,且因为双折射激光晶体和倍频晶体之间要光胶或深 化光胶才能保证高的输出功率,从而加大了加工方法的难度,使得成本不易 低廉。其它方法如中国专利第ZL200520068583.8号等所述,所采用的微片激 光器的结构均为三片式的结构,这种结构虽然可以在一定程度上提高消光 比,但皆因结构相对复杂,方法步骤增加,使得产品成本必然增高。
发明内容本发明所要解决的技术问题在于提供一种在 一定使用温度范围内可以获 得较高消光比偏振倍频光输出的两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方 法。本发明的实现方案是, 一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工步骤包括双折射型激光晶体及n类位相匹配倍频晶体分别毛坯定向、切割、 大片磨砂、抛光、大片镀膜、双折射型激光晶体大片与II类位相匹配倍频晶体大片之间光胶或深化光胶、大片切小。本发明的主要特征是双折射型激 光晶体抛光步骤中还含有位相差控制步骤,通过在双折射型激光晶体的最后 一次表面抛光时,即决定双折射型激光晶体厚度或双折射型激光晶体中o、 e 倍频光位相差的最后一次抛光过程中控制o、 e倍频光在双折射型激光晶体中 的位相差,使得双折射型激光晶体抛光完成后,在该激光器实际工作温度下 等同于一个所输出倍频光的高级次半波片或全波片。上述双折射型激光晶体、II类位相匹配倍频晶体的光轴与通光方向垂 直,且双折射型激光晶体与II类位相匹配倍频晶体二者的光轴成45。夹角;双 折射型激光晶体及II类位相匹配倍频晶体大片镀膜是指两者分别镀制有不同 膜层,不同膜层包括前腔镜膜和后腔镜膜两种,其中前腔镜膜为对基频光及 倍频光高反射,泵浦光高透过的膜层,后腔镜膜为对基频光高反射及倍频光 高透过的膜层。根据上面两片式结构的腔内倍频微片激光器特性可知,采用上述技术方 案后无论后腔镜膜镀制在II类位相匹配倍频晶体表面上还是镀制在双折射型 激光晶体表面上,该腔内倍频微片激光器在实际工作温度下工作时,所产生 的线偏振倍频光在腔内经过双折射型激光晶体后输出时仍然可保持4艮好的偏 振度。上述位相差控制步骤中所用的位相差控制方法可以是测量双折射型激光 晶体中o、 e倍频光的位相差或测量双折射型激光晶体的几何厚度。 具体位相差或厚度要求计算参见如下说明假设在微片激光器的实际工作温度ti时,要求双折射型激光晶体为所输出倍频光的高级次半波片或全波片,则双折射型激光晶体中o、 e倍频光的位 相差Acpi满足A(p尸2承兀氺lno(tO-ne(tOI承I^/X2①-K承Ti ( 1)则在测量环境温度为k时,该双折射型激光晶体中o、 e倍频光的位相差 A(p2应为<formula>formula see original document page 7</formula>以上部分参数之间的关系为<formula>formula see original document page 7</formula>
LtHl+a承(t2-ti)]承Lti (5) 根据以上公式,当已知部分参数时即可得出相应的位相差值或厚度值。 其中,K为正整数,Lt。 Lt2分别为双折射型激光晶体在温度t。 t2时所对应的几何厚度,单位与倍频光波长?12(0相同,Ile(ti)、 !le(t2)分别为双折射型激光晶体在温度ti、 t2时所对应的波长人2w处e光折射率,n。(ti)、 n。(t2)分别为双折 射型激光晶体在温度t!、 t2时所对应的波长?^处o光折射率,a为双折射型 激光晶体在温度t广t2范围内沿通光方向上的线膨胀系数,drio/dt、 dne/dt分别 对应双折射型激光晶体在温度t广t2范围内波长为^co时o、 e光的热光系数。同样道理当测量波长即使不是处在倍频光波X2w处,根据双折射型激光晶 体材料的Sellmeier方程,仍然可以推算出对应的位相差及厚度。由上可知,采用本发明的加工方法,能加工出各种在不同工作温度区域 下出较高消光比倍频光的微片激光器。本发明一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方法的优点在于 采用以上的腔内倍频微片激光器加工方法,克服了普通加工方法中不同批次 制造出来的微片激光器在指定工作温度下所输出的倍频光消光比高低各不一 样的问题。可确保微片激光器在以实际工作温度为中心的一定工作温度范围 内仍可获得较高消光比的偏振倍频光输出,同时也可满足输出功率高,光斑 模式好,偏振方向固定的要求,且具有器件微小,成本低廉的特点。
图1为半导体激光二极管泵浦腔内倍频绿光输出原理示意图。图2为本发明的加工方法流程图。
具体实施方式下面参照附图结合实施例对本发明作进 一 步的描述。参考图1,腔内倍频微片激光器由双折射型激光晶体4及II类位相匹配倍 频晶体晶体5组成,,支设双折射型激光晶体4为3。/。Nd:YV04晶体,a切,尺 寸LxWxH: 2mmx2mmx0.5mm, c轴与任一边长垂直;II类位相匹配倍频晶 体5为KTP晶体,II类位相匹配角由腔内倍频微片激光器实际工作温度范围 的中心温度确尤尺寸LxWxH 2mmx2mmx2mm前腔镜膜位于3%Nd:YV04 晶体前端面上,该膜对基频光1064nm及倍频光532nm高反射,泵浦光808nm 高透过,后腔镜膜位于II类位相匹配倍频晶体KTP后端面上,后腔镜膜为对 基频光1064nm高反射及倍频光532nm高透过的膜层。图2为该发明的加工方法流程图,具体说明该两片式结构的腔内倍频孩i 片激光器的加工方法如下双折射型激光晶体毛坯定向、切割。该步主要是利用X光晶体定向仪及 内圓切割机把双折射型激光晶体3°/。Nd:YV04的毛坯加工成下步所需要的大 尺寸基片,确保各尺寸及精度,光轴方向及精度等符合设计及下步的要求。双折射型激光晶体大片磨砂、抛光。该步主要是利用普通平面研磨/抛光 机来获得待镀膜的双折射型激光晶体3。/。Nd:YV04的抛光平行平片,主要步骤 包括两平行表面分别细磨、抛光。要确保抛光片两表面的光学疯病、平行度, 面形符合激光器元件的要求,如美军标S/D: 10-5, 5", X710,与此同时在最 后一次表面抛光时,即决定双折射型激光晶体厚度或双折射型激光晶体中o、 e倍频光的位相差的最后一次抛光过程中,用单波长位相测量仪器或多波长位 相测量仪器或高精度测厚仪等控制双折射型激光晶体中o、 e倍频光的位相差 或几何厚度。因为最后一次抛光时,通常采用光胶上盘的方式才可精确保证 零件的平行度所以光胶底板只需选用双面抛光的成都光明光学玻璃K9平行 平板,即可采用透过的方式测量双折射型激光晶体中o、 e倍频光的位相差。 对K9玻璃的应力双折射要求为不影响位相差测量即可。假设所要求的腔内倍频微片激光器中3°/。 Nd:YV04的实际工作中心温度 t尸50。, 3。/。Nd:YV04被抛光时的测量环境温度t2-25。,在25°时3%Nd:YV04 在532nm处o、 e光的折射率分别为n。(t2)= 2.021、 ne(t2)=2.256, 3%Nd:YV04 在温度25°~50°范围内532nm处的o 、 e光的热光系数分别为 dn。/dt=8.5xl0-6/K、 dne/dt =3.0xlO-6/K, 3% Nd:YV04在温度25。 500范围内沿 通光方向上的线膨胀系数o^4.43xlO-VK,由此根据公式(3)、 (4)可推算出 在50°时3% Nd:YV04在532nm处o、 e光的折射率分别为n。(t,^2.021212、 !^(^)=2.256075,在0.5mm附近对应的532nm处高级次半波片、全波片的几 何厚度I^分别为499.5微束500.6微未并由公式(5)可推算出3%Nd:YV04 在25。时所需控制的对应几何厚度Lt2分别为499.4微米、500.5微米,同时由 公式(2)可推算出3% Nd:YV04在25。时所需控制的532nm波长处e、 o光 的位相差A(P2全角等同为306°、 309°。如果使用532nm单波长位相测量仪器, 就可以按此位相差全角的要求来控制被加工的3。/。Nd:YV04中e、 o倍频光的 位相差, 一般来讲,测量位相差的方法更直接,更准确,厚度测量方法属间 接测量方法,在材料及加工方法一致性较好时,也可采用。双折射型激光晶体大片镀膜。该步主要用真空镀膜机在激光晶体的任一 抛光表面镀制激光前腔镜膜。确保各镀膜指标符合要求并尽量减少因镀膜而 产生的负面影响。倍频晶体KTP毛坯定向、切割。该步主要是利用X光晶体定向仪及内圆 切割机把倍频晶体KTP的毛坯加工成下步所需要的大尺寸基片,确保各尺寸 及精度,光轴方向及精度等符合设计及下步的要求。倍频晶体KTP大片磨砂、抛光。该步主要是利用普通平面研磨/抛光机来 获得待镀膜的倍频晶体KTP的抛光平行平片,主要步骤包括两平行表面分别 细磨、抛光。要确保抛光片两表面的光学疵病、平行度,面形符合激光器元 件的要求,如美军标S/D: 10-5, 5", X/10。倍频晶体KTP大片镀膜。该步主要用真空镀膜机在倍频晶体的任一抛光 表面镀制激光后腔镜膜。确保各镀膜指标符合要求并尽量减少因镀膜而产生 的负面影响。双折射型激光晶体大片与n类位相匹配倍频晶体大片之间光胶。该步主 要用来预先检测大片腔内倍频激光器的出光质量并为后面切小做准备。主要 保证光胶质量,如无气泡等。大片切小。该步主要用切割机来获得最终小尺寸的成品。主要保证切割 尺寸并尽量减少因切割不当而产生的负面影响。以上所列举的具体实施实例只代表本发明专利所要求的权利项中的 一些特例,并不是全部,如双折射型激光晶体与II类位相匹配倍频晶体之间也可以采用热胶或紫外胶胶合的方式制作成在一定工作温度范围内获得较高消光比倍频光输出的低功率微片激光器;在双折射型激光晶体大片与II类位相 匹配倍频晶体大片分别镀膜完工后,也可以先分别切小,然后将两不同晶体 的小片光胶或深化光胶。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
,但是熟悉本技术领域的技术人 员应当理解,我们所描述的具体的实施例只是说明性的,而不是用于对本发 明的范围的限定,熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的 修饰以及变化,都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
权利要求
1.一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方法,其加工步骤包括双折射型激光晶体及II类位相匹配倍频晶体分别毛坯定向、切割、大片磨砂、抛光、大片镀膜、双折射型激光晶体与II类位相匹配倍频晶体之间固定,其特征在于双折射型激光晶体抛光步骤中还含有位相差控制步骤,使得双折射型激光晶体被加工成在该激光器实际工作温度下所输出倍频光的高级次半波片或全波片。
2. 如权利要求1所述的一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的 加工方法,其特征在于所述位相差控制步骤所对应的抛光为双折射型激 光晶体的最后一次表面抛光。
3. 如权利要求1所述的一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方 法,其特征在于所述位相差控制步骤中所用的位相差控制方法是测量双折 射型激光晶体中o、 e倍频光的位相差或测量双折射型激光晶体的几何厚度。
4. 如权利要求3所述的一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的 加工方法,其特征在于所述位相差或几何厚度的计算步骤如下假设在微片激光器的实际工作温度^时,要求双折射型激光晶体为所输 出倍频光的高级次半波片或全波片,则双折射型激光晶体中o、 e倍频光的位 相差A(p!满足A(p尸2承兀,o(tD-ne(ti)l承W入2,K承兀 (1)则在测量环境温度为t2时,该双折射型激光晶体中o、 e倍频光的位相差 Acp2应为Acpf2承兀承lno(t2)-ne(t2)l承Lt2/入^ (2 )以上部分参数之间的关系为魂)=no(t2)+(dn拜(t广t2) ( 3 )n"ti): ne(t2)+(dne/dt)Wt2) ( 4 )Ltf[l+o^(t2画"PLt! (5) 根据以上公式,当已知部分参数时即可得出相应的位相差值或厚度值, 其中,K为正整数,Lt" Lt2分别为双折射型激光晶体在温度t。 t2时所对应的几何厚度,单位与倍频光波长A^相同,Ile(ti)、 ne(t2)分别为双折射型激光晶体在温度h、 12时所对应的波长12£0处6光折射率,n。(h)、 n。(t2)分别为双折射型激光晶体在温度t,、 t2时所对应的波长人2。处0光折射率,a为双折射型激光晶体在温度t广t2范围内沿通光方向上的线膨胀系数,dno/dt、 dne/dt分别 对应双折射型激光晶体在温度tr、t2范围内波长为人2(0时o、 e光的热光系数。
5. 如权利要求1所述的一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的 加工方法,其特征在于所述两片式结构的腔内倍频微片激光器只含 有一片双折射型激光晶体和一片II类位相匹配倍频晶体,所述的双折射型激 光晶体、II类位相匹配倍频晶体的光轴与通光方向垂直,且双折射型激光晶 体与II类位相匹配倍频晶体二者的光轴成45°夹角。
6. 如权利要求1所述的一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方法,其特征在于所述的双折射型激光晶体及n类位相匹配倍频晶体大片镀膜是指两者分别镀制有不同膜层,不同膜层包括前腔镜膜和后腔镜 膜两种,其中前腔镜膜为对基频光及倍频光高反射,泵浦光高透过的膜层, 后腔镜膜为对基频光高反射及倍频光高透过的膜层。
7. 如权利要求1所述的 一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加 工方法,其特征在于还包括最后一步大片切小,其中大片镀膜后,双折 射型激光晶体大片与II类位相匹配倍频晶体大片之间固定,然后是大片切小。
8. 如权利要求1所述的一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方 法,其特征在于在大片働莫步骤后,双折射型激光晶体与II类位相匹配倍 频晶体之间固定的步骤前,还包括分别切小的步骤,则双折射型激光晶体与 II类位相匹配倍频晶体的固定是两不同晶体的小片之间的固定。
9. 如权利要求1、 7或8任一项所述的一种两片式结构的腔内倍频微片激 光器的加工方法,其特征在于双折射型激光晶体与II类位相匹配倍频晶体 之间固定方式为光胶或深化光胶。
10. 如权利要求1 、 7或8任一项所述的 一种两片式结构的腔内倍频微 片激光器的加工方法,其特征在于双折射型激光晶体与II类位相匹配倍 频晶体之间固定方式为热胶或紫外胶胶合。
全文摘要
一种两片式结构的腔内倍频微片激光器的加工方法,其加工步骤包括双折射型激光晶体及II类位相匹配倍频晶体分别毛坯定向、切割、大片磨砂、抛光、大片镀膜、双折射型激光晶体大片与II类位相匹配倍频晶体大片之间光胶或深化光胶、大片切小。其特征是双折射型激光晶体抛光步骤中还含有位相差控制步骤,通过在双折射型激光晶体最后一次表面抛光过程中控制双折射型激光晶体中o、e倍频光的位相差,使得激光晶体被加工成在该激光器实际工作温度下所输出倍频光的高级次半波片或全波片。本发明的优点在于使得倍频光在腔内通过双折射型激光晶体后从激光器输出时仍然保持较好的偏振度,从而保证该激光器在一定工作温度范围内可输出较高消光比的倍频光。
文档编号H01S3/109GK101404380SQ20081007212
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者张山从, 陈建林 申请人:福建华科光电有限公司

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